2.3 Engineer It: How to measure additive jitter in fanout buffers

[THEME MUSIC] Hi. I'm Jim Catt, manager of TI's clocking application group. Today we're going to talk about how to properly measure the residual noise of a clock fanout buffer. This is important because choosing the wrong fanout buffer can degrade system performance in high-precision applications.
This diagram illustrates a typical application where we have a clock source driving a fanout buffer, and the output of the fanout buffer may be driving various devices such as data converters and FPGAs. In the lower left, we see the phase noise of the original phase noise of the clock generator-- represented by the blue trace-- and the integrated jitter for this particular phase noise profile is 221 femtoseconds.
In the next plot to the right, we see the residual noise plot of the buffer itself. In this case, this is measured without the clock source that we're showing here. And this shows the integrated jitter of the clock buffer is 187 femtoseconds.
In the upper right-hand corner, we see a phase noise plot that represents the output of that clock buffer being driven by the clock generator. This trace represents the total output phase noise, and you can also see that we've superimposed the original phase noise of the clock source along with the residual noise of the clock buffer.
Now, you can see at the low offsets that the residual noise of the clock buffer is having little to no impact on the total phase noise, because it's many DB below the phase noise of the clock generator. However, the wider offsets, we do see that the wideband noise of the clock buffer is in fact setting the noise floor at the output.
Now, the proper way to account for the jitter contributions of all of the devices in the chain is shown here in this equation. So the total jitter at the output of the chain is equal to the root sum squared jitter of each device in the chain. It's important to remember that a principle of good measurement methods is to use a measurement system whose error contribution, or noise contribution, is much, much below that of the device being measured.
So now we're going to look at an actual test setup, where I have a low-noise signal source connected. We're going to measure the phase noise at the output of that low-noise source. Then, we'll connect it to the input of a fanout buffer and measure the phase noise at the output of the fanout buffer, and look at the difference between the two.
So my low-noise source is a Wenzel 100 megahertz oscillator. I'm driving that into some attenuators, which then are connected to another low-noise amplifier, and then the output of that amplifier drives through some more attenuation and a signal limiter, because we want a nice, fast clock edge when we connect this to the input of our device under test-- in this case, the LMK00304 fanout buffer.
So, I have the output of the signal source connected to an E5052. We can see on this display the phase noise that's being measured for the signal source. So a couple things that we want to know-- first of all, at a one kilohertz offset from the carrier, that the phase noise is only about minus 148 DBC per Hertz. As we move farther out in offset, at about 10 megahertz and 20 megahertz, the phase noise is about minus 168 DBC per Hertz. The other thing to note is that the total integrated jitter, from 1K to 20 megahertz, is about 45, 46 femtoseconds.
So now I'm going to disconnect the source from the 5052 and reconnect it to the input of the LMK00304. We're going to take a short break, and then we'll be right back.
So now I've reconfigured the test setup, and connected the output of the low-noise source to the input of the LMK00304. The output of the LMK00304 is now connected to the E5052 signal source analyzer.
On the display, we can see the phase noise measured at the output of the buffer-- and again, we note that at a one kilohertz offset, the phase noise is still about minus 147 DBC per Hertz-- more or less equal to the phase noise at the output of the signal source itself. However, at the wide offset, we do see that the wideband noise has degraded to about minus 160 DBC-- or about eight DB worse than the signal source.
The last thing to note is that the RMS jitter, integrated from one kilohertz out to 20 megahertz, is now about 100 femtoseconds. So we clearly see that the residual noise of the buffer has had an impact on the noise from the low-noise signal source.
So now we're going to take a look at the results of the similar measurement done earlier, and look at the computed additive jitter of the buffer. On this slide, you can see a summary of the measurement that we've just made, which was put together previously. The plot on the left side of the screen shows the signal source plot in blue, and then the combined phase noise of the signal source plus the buffer in read. The additive jitter measurements for these measurements are shown here, in this equation, for the additive jitter computation. The signal source jitter is approximately 40 femtoseconds, and the jitter of the combined signal source plus buffer is approximately 91 femtoseconds. The difference is about 82 femtoseconds.
Next, we're going to reconfigure the measurement setup and replace the low-noise source with an alternative signal source, which has much higher phase noise. Then we're going to repeat the measurement, and we'll see the difference in the two. So now we're going to take a moment to reconnect the boards. We'll be right back.
So now I've reconfigured the test setup. I have a signal generator driving a clock distribution buffer, and this distribution device is dividing down the signal generator frequency from 1,200 megahertz down to 100 megahertz-- which is the same frequency as the Wenzel crystal oscillator. The output of the clock distribution device is connected to the E5052, and on the display, we can see the phase noise at the output of the clock distribution device. In this case, again at the one kilohertz offset, we see that the phase noise is now about minus 123 DBC per Hertz-- which is about 25 DB higher than that of the Wenzel source. Also, the wideband noise has increased to about minus 156 DBC per Hertz-- again, about 12 DB worse than the Wenzel oscillator.
So now, I'm going to reconnect the test setup and use this signal source to drive the fanout buffer. Then, we'll repeat this measurement on the 5052 and see what the new residual noise measurement is at the output of the buffer.
So now I've reconfigured the test setup, and I have the high-noise signal source, again, driving through a clock distribution buffer which is dividing down the source frequency from 1,200 megahertz to 100 megahertz. And then I'm using the output of this distribution device to drive the input of the LMK00304. That's connected to the 5052 signal source analyzer.
On the display, we again see the phase noise at the output of the clock buffer. What we see is that the phase noise measured at the output of the clock buffer is essentially equivalent to the phase noise of the signal source driving it. For example, at a one kilohertz offset, the phase noise is minus 123 DBC per Hertz, and again, at the wideband offset, the phase noise is about minus 157 DBC per Hertz. So essentially, we see no difference in the phase noise measurement at the output of the clock buffer.
So this slide represents the result of a similar measurement that we've done previously. In this case, you see the phase noise plots of both the signal generator source driving the buffer and also the signal generator plus buffer. And, as you can note, that the phase noise plots pretty much lie right on top of one another, indicating that the noise at the output of the buffer was not significantly impacted by the buffer itself. The measured jitter values, in this case-- we measured 139 femtoseconds for the signal source, and 148 femtoseconds at the output of the buffer. The difference gives us 51 femtoseconds.
If you recall, the residual jitter that we measured for the buffer using the low-noise signal source was approximately 80 femtoseconds. In this case, it appears that the buffer noise is only 51 femtoseconds, when in fact we know that previously we measured 82 femtoseconds using the low-noise source. Had we used this method to measure our buffer, we would have been misled by the true performance of the buffer.
So in conclusion, the key points we want to remember from today are that-- first of all-- to properly measure the residual noise of the buffer, we need to pick a low-noise source. If we don't, we'll get a significantly skewed result, and ultimately, using a buffer in our clocking design may lead to degraded performance that we didn't expect. Also, when reading the data sheets of fanout buffers, it's important to look for information that explains how the residual noise or additive jitter was made, because otherwise you can't be sure that the number or the spec that you're reading is accurate.
For more information, please go to the following websites. Thank you for joining us today.
[THEME MUSIC] [主题音乐] 您好， 我叫 Jim Catt， 是 TI 时钟应用小组的经理。 今天，我们将讨论 如何正确测量 时钟扇出 缓冲器的残余噪声。 这很重要，因为 选择错误的扇出 缓冲器可降低 高精度应用中的 系统性能。 此图展示了 一种典型应用， 在该应用中， 我们使用一个时钟源 驱动扇出缓冲器， 而扇出缓冲器的 输出驱动各种器件， 例如数据转换器 和 FPGA。 在左下方， 我们可以看到 相位噪声时钟发生器的 原始相位噪声， 它由蓝色线迹表示， 这一特定相位 噪声曲线的 积分抖动为 221 飞秒。 在右侧的 下一个图中， 我们可以看到 缓冲器本身的残余噪声图。 在本例中，该图在没有此处所示 时钟源的情况下 进行测量。 此处显示时钟缓冲器的 积分抖动 187 飞秒。 在右上角， 我们 我们可以看到 一个相位噪声图， 该图显示正由 时钟发生器驱动的 该时钟缓冲器的输出。 此相位表示 总输出相位噪声， 您还可以看到， 我们已将时钟源的原始相位噪声 与时钟缓冲器的 残余噪声叠 加在了一起。 现在您可以看到， 在低偏移条件下， 时钟缓冲器的 残余噪声 对总相位噪声的 影响很小或没有影响， 因为它比时钟发生器的 相位噪声低许多 dB。 但在 较宽偏移条件下， 我们却看到， 时钟缓冲器的 宽带噪声实际上 会使噪声在输出时最小。 现在，这个计算公式 显示用于计算链中 所有器件贡献的 抖动部分的 正确方法。 链输出的 总抖动等于 链中每个 器件的抖动之和 的平方根。 请务必记住， 对于我们来说， 使用误差或 噪声部分 比所测量器件 低得多的 测量系统是 选择好的测量方法的原则。 现在，我们将 看看实际的测试设置， 我在其中连接了 一个低噪声信号源。 我们将 测量低噪声源 输出的相位噪声。 然后，我们将其连接到 扇出缓冲器的输入， 测量扇出 缓冲器输出的 相位噪声，并查看 两者之间 的差异。 我的低噪声源是 一个 Wenzel 100 MHz 振荡器。 我要将其驱动到 某些衰减器中， 这些衰减器随后将 连接到另一个低噪声放大器， 然后， 该放大器的 输出再次 减弱 并驱动到信号限制器， 因为我们在 将其连接到所测试器件的 输入时需要精确、 快速的时钟边沿。 在本例中为 LMK00304 扇出缓冲器。 我将信号源的 输出 连接到了 E-5052。 在此显示屏上， 我们可以看到 为信号源 测量的相位噪声。 我们需要 注意的几个问题有， 首先，在与载波信号 偏移 1 kHz 时， 相位噪声大约 仅为每赫兹 -148 dBC。 随着偏移 继续增大，在大约 10 MHz 和 20 MHz 时， 相位噪声大约为 每赫兹 -168 dBC。 另一个需要 注意的问题是， 从 1K 到 20 MHz 的 总积分抖动约为 45、46 飞秒。 现在， 我将从 5052 上断开源 并将其重新连接到 LMK00304 的输入。 我们 稍事休息， 马上回来。 现在，我已经重新 配置了测试设置， 并将低噪声源的输出 连接到了 LMK00304 的输入。 LMK00304 模块的输出 现已连接到 E5052 信号源分析器。 在此显示屏上， 我们可以看到 在缓冲器输出端 测量的相位噪声， 另外，我们注意到， 在 1 kHz 偏移时， 相位噪声仍然大约为 每赫兹 -147 dBC， 差不多等于 信号源本身的 输出端相位噪声。 但在 较宽偏移条件下， 我们却看到， 宽带噪声已降至 大约 -160 dBC 或 高于信号源约 8 dB。 最后需要 注意的问题是， 从 1 kHz 到 20 MHz 积分的 RMS 抖动现在约为 100 飞秒。 我们可以 清楚地看到， 缓冲器的残余噪声对 低噪声信号源的噪声有 影响。 现在我们来 看看 早些时候进行的 类似测量的结果， 并查看缓冲器的 计算附加抖动。 在这张幻灯片上， 您可以看到我们刚刚进行的测量的摘要， 其中的信息是 此前整合在一起的。 屏幕左侧的图 以蓝色显示 信号源图， 以红色显示 信号源以及 缓冲器的 组合相位噪声。 这些测量的 附加抖动测量值 显示在 这个公式中， 用于计算 附加抖动。 信号源抖动 约为 40 飞秒， 信号源及缓冲器 的组合抖动 约为 91 飞秒。 差异大约为 82 飞秒。 接下来，我们将重新配置 测量设置， 并将低噪声源 替换为相位噪声 高得多的 替代信号源。 然后， 我们将重复测量， 我们会看到 两者之间的差异。 现在，我们要用一些时间来 重新连接板。 我们将马上回来。 现在，我已经重新 配置了测试设置。 我用一个信号发生器来 驱动时钟分配缓冲器， 此分配器件 将信号发生器频率 从 1200 MHz 向下 分频为 100 MHz， 与 Wenzel 晶体振荡器的 频率相同。 时钟分配器件的 输出连接到了 E-5052， 在显示屏上， 我们可以看到 时钟分配器件 输出端的 相位噪声。 在本例中， 同样在 1 kHz 偏移时， 我们可看到相位噪声 现在约为每赫兹 -123 dBC， 比 Wenzel 源的 相位噪声 大约高 25 dB。 另外，宽带 噪声提高到了 每赫兹 大约 -156 dBC， 比 Wenzel 振荡器 高约 12 dB。 现在，我将重新连接 测试设置并 使用此信号源来 驱动扇出缓冲器。 然后，我们将在 5052 上 重复此测量 并查看 缓冲器输出端的 新残余噪声测量值。 现在，我已经重新 配置了测试设置， 我再次使用高噪声 信号源驱动时钟分配缓冲器， 该缓冲器 将源频率 从 1200 MHz 向下分频为 100 MHz。 然后，我将使用此分配器件的 输出来驱动 LMK00304 的输入。 该器件已连接到了 5052 信号源分析器。 在显示屏上， 我们同样可以看到 时钟缓冲器输出端的 相位噪声。 我们会看到， 在时钟缓冲器 输出端测量的 相位噪声实质上 等于驱动时钟 缓冲器的信号源的 相位噪声。 例如， 在 1 kHz 偏移时， 相位噪声为 每赫兹 -123 dBC， 而在宽带偏移时， 相位噪声约为 每赫兹 -157 dBC。 因此， 我们可以看到， 时钟缓冲器输出端的 相位噪声测量值 基本无差异。 这张幻灯片显示了 我们以前进行的 类似测量的结果。 在本例中， 您可以看到驱动缓冲器的 信号发生器源 以及信号发生器 加缓冲器的 相位噪声图。 您会 注意到， 相位噪声图 几乎相互重叠， 表明缓冲器 输出端的噪声 受到缓冲器 本身的影响并不明显。 在本例中， 我们测量到的抖动值 信号源的值为 139 飞秒， 缓冲器输出端的值为 148 飞秒。 差异为 51 飞秒。 回想一下， 我们使用 低噪声信号源 测得的缓冲器 残余抖动 约为 80 飞秒。 在本例中， 缓冲器噪声 仅为 51 飞秒， 事实上我们知道， 我们之前使用 低噪声源测量的 值为 82 飞秒。 假如我们使用 此方法来测量缓冲器， 我们将被缓冲器的 真正性能所误导。 总之， 从今天开始 我们必须要记住， 正确测量缓冲器的 残余噪声 最为重要， 我们需要 选择低噪声源。 否则，我们会得到 严重倾斜的结果， 如果在时钟设计中 使用缓冲， 则会最终 导致 性能意外降低。 另外，在阅读扇出 缓冲器的数据表时， 必须查找说明 残余噪声或 附加抖动 产生方式的信息， 否则，您将无法确定 您所阅读的 数字或规格 是否精确。 有关更多信息， 请访问以下网站。 感谢您的观看。 [主题音乐] [主题音乐] 您好， 我叫 Jim Catt， 是 TI 时钟应用小组的经理。 今天，我们将讨论 如何正确测量 时钟扇出 缓冲器的残余噪声。 这很重要，因为 选择错误的扇出 缓冲器可降低 高精度应用中的 系统性能。 此图展示了 一种典型应用， 在该应用中， 我们使用一个时钟源 驱动扇出缓冲器， 而扇出缓冲器的 输出驱动各种器件， 例如数据转换器 和 FPGA。 在左下方， 我们可以看到 相位噪声时钟发生器的 原始相位噪声， 它由蓝色线迹表示， 这一特定相位 噪声曲线的 积分抖动为 221 飞秒。 在右侧的 下一个图中， 我们可以看到 缓冲器本身的残余噪声图。 在本例中，该图在没有此处所示 时钟源的情况下 进行测量。 此处显示时钟缓冲器的 积分抖动 187 飞秒。 在右上角， 我们 我们可以看到 一个相位噪声图， 该图显示正由 时钟发生器驱动的 该时钟缓冲器的输出。 此相位表示 总输出相位噪声， 您还可以看到， 我们已将时钟源的原始相位噪声 与时钟缓冲器的 残余噪声叠 加在了一起。 现在您可以看到， 在低偏移条件下， 时钟缓冲器的 残余噪声 对总相位噪声的 影响很小或没有影响， 因为它比时钟发生器的 相位噪声低许多 dB。 但在 较宽偏移条件下， 我们却看到， 时钟缓冲器的 宽带噪声实际上 会使噪声在输出时最小。 现在，这个计算公式 显示用于计算链中 所有器件贡献的 抖动部分的 正确方法。 链输出的 总抖动等于 链中每个 器件的抖动之和 的平方根。 请务必记住， 对于我们来说， 使用误差或 噪声部分 比所测量器件 低得多的 测量系统是 选择好的测量方法的原则。 现在，我们将 看看实际的测试设置， 我在其中连接了 一个低噪声信号源。 我们将 测量低噪声源 输出的相位噪声。 然后，我们将其连接到 扇出缓冲器的输入， 测量扇出 缓冲器输出的 相位噪声，并查看 两者之间 的差异。 我的低噪声源是 一个 Wenzel 100 MHz 振荡器。 我要将其驱动到 某些衰减器中， 这些衰减器随后将 连接到另一个低噪声放大器， 然后， 该放大器的 输出再次 减弱 并驱动到信号限制器， 因为我们在 将其连接到所测试器件的 输入时需要精确、 快速的时钟边沿。 在本例中为 LMK00304 扇出缓冲器。 我将信号源的 输出 连接到了 E-5052。 在此显示屏上， 我们可以看到 为信号源 测量的相位噪声。 我们需要 注意的几个问题有， 首先，在与载波信号 偏移 1 kHz 时， 相位噪声大约 仅为每赫兹 -148 dBC。 随着偏移 继续增大，在大约 10 MHz 和 20 MHz 时， 相位噪声大约为 每赫兹 -168 dBC。 另一个需要 注意的问题是， 从 1K 到 20 MHz 的 总积分抖动约为 45、46 飞秒。 现在， 我将从 5052 上断开源 并将其重新连接到 LMK00304 的输入。 我们 稍事休息， 马上回来。 现在，我已经重新 配置了测试设置， 并将低噪声源的输出 连接到了 LMK00304 的输入。 LMK00304 模块的输出 现已连接到 E5052 信号源分析器。 在此显示屏上， 我们可以看到 在缓冲器输出端 测量的相位噪声， 另外，我们注意到， 在 1 kHz 偏移时， 相位噪声仍然大约为 每赫兹 -147 dBC， 差不多等于 信号源本身的 输出端相位噪声。 但在 较宽偏移条件下， 我们却看到， 宽带噪声已降至 大约 -160 dBC 或 高于信号源约 8 dB。 最后需要 注意的问题是， 从 1 kHz 到 20 MHz 积分的 RMS 抖动现在约为 100 飞秒。 我们可以 清楚地看到， 缓冲器的残余噪声对 低噪声信号源的噪声有 影响。 现在我们来 看看 早些时候进行的 类似测量的结果， 并查看缓冲器的 计算附加抖动。 在这张幻灯片上， 您可以看到我们刚刚进行的测量的摘要， 其中的信息是 此前整合在一起的。 屏幕左侧的图 以蓝色显示 信号源图， 以红色显示 信号源以及 缓冲器的 组合相位噪声。 这些测量的 附加抖动测量值 显示在 这个公式中， 用于计算 附加抖动。 信号源抖动 约为 40 飞秒， 信号源及缓冲器 的组合抖动 约为 91 飞秒。 差异大约为 82 飞秒。 接下来，我们将重新配置 测量设置， 并将低噪声源 替换为相位噪声 高得多的 替代信号源。 然后， 我们将重复测量， 我们会看到 两者之间的差异。 现在，我们要用一些时间来 重新连接板。 我们将马上回来。 现在，我已经重新 配置了测试设置。 我用一个信号发生器来 驱动时钟分配缓冲器， 此分配器件 将信号发生器频率 从 1200 MHz 向下 分频为 100 MHz， 与 Wenzel 晶体振荡器的 频率相同。 时钟分配器件的 输出连接到了 E-5052， 在显示屏上， 我们可以看到 时钟分配器件 输出端的 相位噪声。 在本例中， 同样在 1 kHz 偏移时， 我们可看到相位噪声 现在约为每赫兹 -123 dBC， 比 Wenzel 源的 相位噪声 大约高 25 dB。 另外，宽带 噪声提高到了 每赫兹 大约 -156 dBC， 比 Wenzel 振荡器 高约 12 dB。 现在，我将重新连接 测试设置并 使用此信号源来 驱动扇出缓冲器。 然后，我们将在 5052 上 重复此测量 并查看 缓冲器输出端的 新残余噪声测量值。 现在，我已经重新 配置了测试设置， 我再次使用高噪声 信号源驱动时钟分配缓冲器， 该缓冲器 将源频率 从 1200 MHz 向下分频为 100 MHz。 然后，我将使用此分配器件的 输出来驱动 LMK00304 的输入。 该器件已连接到了 5052 信号源分析器。 在显示屏上， 我们同样可以看到 时钟缓冲器输出端的 相位噪声。 我们会看到， 在时钟缓冲器 输出端测量的 相位噪声实质上 等于驱动时钟 缓冲器的信号源的 相位噪声。 例如， 在 1 kHz 偏移时， 相位噪声为 每赫兹 -123 dBC， 而在宽带偏移时， 相位噪声约为 每赫兹 -157 dBC。 因此， 我们可以看到， 时钟缓冲器输出端的 相位噪声测量值 基本无差异。 这张幻灯片显示了 我们以前进行的 类似测量的结果。 在本例中， 您可以看到驱动缓冲器的 信号发生器源 以及信号发生器 加缓冲器的 相位噪声图。 您会 注意到， 相位噪声图 几乎相互重叠， 表明缓冲器 输出端的噪声 受到缓冲器 本身的影响并不明显。 在本例中， 我们测量到的抖动值 信号源的值为 139 飞秒， 缓冲器输出端的值为 148 飞秒。 差异为 51 飞秒。 回想一下， 我们使用 低噪声信号源 测得的缓冲器 残余抖动 约为 80 飞秒。 在本例中， 缓冲器噪声 仅为 51 飞秒， 事实上我们知道， 我们之前使用 低噪声源测量的 值为 82 飞秒。 假如我们使用 此方法来测量缓冲器， 我们将被缓冲器的 真正性能所误导。 总之， 从今天开始 我们必须要记住， 正确测量缓冲器的 残余噪声 最为重要， 我们需要 选择低噪声源。 否则，我们会得到 严重倾斜的结果， 如果在时钟设计中 使用缓冲， 则会最终 导致 性能意外降低。 另外，在阅读扇出 缓冲器的数据表时， 必须查找说明 残余噪声或 附加抖动 产生方式的信息， 否则，您将无法确定 您所阅读的 数字或规格 是否精确。 有关更多信息， 请访问以下网站。 感谢您的观看。 [主题音乐]